Quando as pontas das pás se aproximam da velocidade do som
Quando as pás do rotor de um helicóptero chegam perto da velocidade do som, a situação pode ficar bem arriscada.
Acima de aproximadamente Mach 0.8, ondas de choque, aumento de arrasto, escoamento instável e turbulência podem gerar tensões importantes que não aparecem em velocidades mais baixas.
Na Terra, esse tipo de problema costuma ser contornado com muitos testes e engenharia inteligente. Já projetar uma aeronave capaz de funcionar na aerodinâmica “alienígena” de Marte é outra história.
Ingenuity e o que o Perseverance ensinou sobre voar em Marte
O helicóptero Ingenuity, que acompanhou o rover Perseverance e chegou a Marte em janeiro de 2021, voou sempre no regime subsónico, abaixo de cerca de Mach 0.7 - uma decisão tomada para evitar surpresas aerodinâmicas potencialmente fatais para a missão, no primeiro avião com propulsão própria da humanidade a operar noutro planeta.
O Ingenuity era um experimento ousado: além de verificar se o voo com rotores era mesmo possível no planeta vermelho, a ideia era também recolher dados de desempenho que ajudassem a orientar o desenho de helicópteros futuros.
O plano inicial previa apenas cinco voos. No entanto, a aeronave acabou a voar 72 vezes antes de se despenhar em 2024 - não por falha do sistema de voo, mas porque não conseguiu estimar a distância ao solo durante a descida.
Esse desenho de missão relativamente conservador foi decisivo, pois deu aos engenheiros na Terra uma compreensão detalhada da aerodinâmica marciana para incorporar em novas aeronaves. O Ingenuity abriu caminho para que o SkyFall pudesse ir além.
O SkyFall eleva a fasquia: rotores a Mach 1.08
O helicóptero de Marte de próxima geração, atualmente em desenvolvimento no âmbito do projeto SkyFall, vai exigir mais. Num cenário que simula a atmosfera marciana, engenheiros da NASA levaram os rotores a Mach 1.08, uma velocidade que amplia de forma significativa as capacidades do próximo helicóptero.
“Os testes bem-sucedidos desses rotores foram um grande passo para comprovar a viabilidade do voo em ambientes mais exigentes, o que é fundamental para veículos de próxima geração”, afirma a aerodinamicista Shannah Withrow-Maser, do Centro de Pesquisa Ames da NASA, no Vale do Silício.
“Nós achávamos que já seria sorte chegar a Mach 1.05, e atingimos Mach 1.08 nas últimas execuções. Ainda estamos a aprofundar a análise dos dados, e pode haver ainda mais empuxo disponível. Esses helicópteros de próxima geração vão ser incríveis.”
Embora Terra e Marte tenham muito em comum, diferenças mesmo pequenas nas propriedades atmosféricas podem alterar a forma como uma aeronave se comporta. E, neste caso, as diferenças não são pequenas: a atmosfera de Marte é extremamente rarefeita, com apenas 1 to 2 percent da densidade da atmosfera terrestre.
“Se o Chuck Yeager estivesse aqui, ele diria que as coisas podem ficar complicadas por volta de Mach 1”, diz o engenheiro Jaakko Karras, do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA.
“Com isso em mente, planeámos os voos do Ingenuity para manter as pontas das pás do rotor em Mach 0.7, sem vento, para que, se encontrássemos um vento de proa marciano durante o voo, as pontas do rotor não entrassem em regime supersónico.
“Mas queremos mais desempenho do nosso avião de Marte de próxima geração. Precisávamos de ter certeza de que os nossos rotores poderiam ir mais rápido com segurança.”
Como a atmosfera de Marte é muito mais fina do que a da Terra, a barreira do som - conhecida como Mach 1 - ocorre a uma velocidade bem menor: cerca de 869 quilômetros por hora (540 milhas por hora), contra 1,225 quilômetros por hora (761 milhas por hora) ao nível do mar na Terra.
Como o JPL simulou a atmosfera marciana e forçou os rotores
Para validar os projetos de rotor, o JPL dispõe de uma câmara especial em que a pressão do ar é reduzida para reproduzir as condições atmosféricas de Marte. A estrutura também é reforçada para que, caso uma pá se parta, não seja arremessada pelo laboratório e se crave em algo importante.
Dentro dessa câmara, a equipa avaliou dois desenhos de rotor - um com três pás e outro com duas - enquanto acompanhava tudo de uma sala de controlo próxima.
No projeto com três pás, os rotores giraram até 3,750 rpm, o que levou as pontas a velocidades de Mach 0.98.
Já o rotor de duas pás, com pás mais longas, precisou chegar apenas a cerca de 3,570 rpm para alcançar o mesmo Mach 0.98. Para comparação, as pás do rotor do Ingenuity nunca passaram de 2,700 rpm.
Depois, um ventilador no interior da câmara foi ligado, atingindo os rotores com ventos de proa. No fim, as pontas do rotor chegaram ao máximo de Mach 1.08.
Esse avanço aumenta a sustentação em cerca de 30 percent, o que permitirá que o próximo helicóptero transporte cargas úteis mais pesadas do que o Ingenuity. Na prática, isso significa levar mais instrumentos científicos a bordo.
Se tudo correr conforme o planeado, segundo a NASA, a missão SkyFall será lançada perto do fim de 2028, levando três helicópteros.
Esses helicópteros vão ajudar a reconhecer locais de aterragem para humanos e a mapear gelo de água abaixo da superfície de Marte.
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